ISSN:2089 – 0133 Oktober 2013
Indonesian Journal of Applied Physics (2013) Vol.3 No.2 Halaman 163
Desain Sensor Serat Optik Sederhana untuk Mengukur Konsentrasi Larutan Gula dan Garam Berbasis Pemantulan dengan Menggunakan Konfigurasi Jarak Cermin-Fiber Optik Tetap Arrini Nurul M, Ahmad Marzuki, Mohtar Yunianto Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret
[email protected] Received 05-03-2013, Revised 09-04-2013, Accepted 15-04-2013, Published 13-10-2013
ABSTRACT A simple method to measure a solution refractive index using fixed mirror refractive optical fiber sensor has been investigated. The solution used are sugar and salt solution, with concentration varies from 1M to 5M. The diameter of polymer optical fiber used is 0.5 mm and light source used is LED (λ=676 nm). The sensor work based on light intensity modulation, subjected to mechanical structure change of the fiber due to an applied force. The result showed that the concentration of sugar and salt linearly are related with their refractive indeces (R2=0,95006) and (R2=0,99858). Keyword : fiber optic sensor, refractive index, sugar sensor
ABSTRAK Sebuah metode sederhana untuk mengukur indek bias larutan telah ditemukan. Instrumen dasarnya menggunakan desain sensor optik jarak cermin tetap (d= 8mm). Pengambilan data dilakukan terhadap larutan gula dan larutan garam dengan variasi konsentrasi 1M sampai dengan 5M. Fiber optik polimer yang digunakan adalah fiber optik polimer berdiameter 0,5 mm dan sumber cahaya berupa LED (λ=676 nm). Sensor bekerja berdasarkan modulasi amplitude intensitas transmisi cahaya dalam serat. Adanya perubahan struktur mekanik dari serat karena gaya yang diberikan. Berdasarkan hasil penelitian diperoleh bahwa konsentrasi gula dan garam berhubungan secara linear dengan nilai indek biasnya (R2=0.95006) dan (R2=0,99858). Kata kunci : sensor serat optik, indek bias, sensor gula
PENDAHULUAN
Sensor serat optik memiliki banyak aplikasi dalam berbagai cabang ilmu pengetahuan dan rekayasa. Dalam dunia industri pengukuran indek bias suatu cairan sangat penting, misalnya dalam industri gula untuk mengetahui tingkat konsentrasi larutan gula [1]. Beberapa metode pengukuran indek bias yang sudah dikembangkan adalah menggunakan serat optik sebagai sensor dengan menghilangkan cladding dimana ketebalan dari cladding dapat mempengaruhi sensitivitas sensor [2] dan sensor pergeseran serat optik dan menunjukkan bahwa posisi puncak intensitas tergantung pada indeks bias medium [3]. Pengukuran indek bias menggunakan interferometry cenderung rumit dibandingkan dengan menggunakan Abbe-Refractometer yang lebih efisien waktu dan mudah digunakan [4] . Desain alat ini dibuat secara sederhana tetapi tidak portable. Dengan adanya dasar ini
Desain Sensor Serat ... Halaman 164
dibuat desain sensor serat optik sederhana untuk mengukur indek bias larutan gula dengan menggunakan fiber optik berdiameter 0,5 mm dengan konfigurasi jarak optik tetap. Prinsip kerja alat ini dilakukan dengan konsep cermin di desain tegak lurus terhadap transmitter sebagai pemantul cahaya dan receiver sebagai penerima pantulan cahaya yang ditangkap oleh serat optik. Intensitas cahaya yang ditangkap oleh serat optik receiver akan diteruskan kedalam photodetector dan dibaca oleh oscilloscope sebagai tegangan (mV). METODE
Tujuan dari penelitian ini adalah mendesain fiber sensor untuk menentukan indek bias larutan gula dan larutan garam. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan fiber optik polimer berdiameter 0,5 mm. Sumber cahaya yang digunakan adalah LED. Pertimbangannya adalah LED tersedia secara murah di pasar. Untuk mengetahui bagaimana perubahan intensitas cahaya yang bersesuaian dengan panjang gelombang LED dilakukan uji UV-Vis. Sedangkan panjang gelombang LED sendiri diketahui dengan menggunakan metode difraksi dengan menggunakan setup standard experiment difraksi cahaya[6-7]. Dengan metode ini, panjang gelombang cahaya ditentukan dengan menggunakan persamaan: =
(1)
Dengan d adalah jarak antara tiap celah pada kisi sebesar 644 nm [6], y adalah jarak terang ke-n dari terang pusat, L adalah jarak celah ke layar, dan orde (m) yang digunakan dalam percobaan ini adalah 1. Eksperimen untuk mendesain fiber sensor di perlihatkan oleh Gambar 1. Sumber cahaya (LED) dipecah menjadi dua: melalui fiber referensi dan fiber termodulasi. Pada fiber referensi, sumber cahaya yang tertangkap oleh photodetector kemudian diubah menjadi sinyal listrik dan dibaca oleh oscilloscope (Vreff). Selanjutnya pada fiber termodulasi, cahaya terpantul di dalam larutan oleh cermin kemudian ditangkap oleh fiber receiver, cahaya yang tertangkap dalam fiber receiver disalurkan ke photodetector yang kemudian diubah dalam sinyal listrik sehingga dapat dibaca oleh oscilloscope (Vmod). Dari keluaran ini berikutnya dapat dihitung besar atenuasi seperti yang diberikan oleh: = 10
(2)
Gambar 1. Skema eksperimen fiber sensor untuk mengukur reflaktif indek larutan
Desain Sensor Serat ... Halaman 165
HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 2 adalah hasil uji absorbansi cahaya untuk rentang panjang gelombang 500 nm sampai 800 nm dari larutan gula (Gambar 2a) dan larutan garam (Gambar 2b). Terlihat bahwa beda intensitas serapan antara satu konsentrasi dengan konsentrasi yang lain sangat ditentukan oleh panjang gelombang. Dari gambar 2(a) dapat ditunjukkan bahwa beda serapan cahaya antara satu larutan gula dengan larutan gula yang lain mempunyai nilai yang kecil saat λ= 750-800 nm. Penggunaan sumber cahaya dalam rentang ini karenanya tidak disarankan. Saat mengalami pergeseran ke arah warna biru (λ < 750 nm), beda nilai serapan untuk larutan gula ini membesar. Keteraturan perubahan absorbansi pada range ini mulai tampak. Saat konsentrasi larutan gula membesar, nilai absorbansi dari larutan ini juga membesar. Perbedaan absorbansi antara larutan gula sebagai fungsi panjang gelombang pada rentang panjang gelombang eksperimen tidak teramati pada larutan garam. Terlihat bahwa beda serapan cahaya antara satu konsentrasi dengan konsentrasi yang lain untuk larutan garam mempunyai rentang yang besar. 0,080
0,250
1M 1,5M 2M 2,5M 3M 4M 5M
0,070
Absorbansi
0,065
0,200 0,175
0,060 0,055
0,150 0,125
0,050
0,100
0,045
0,075
0,040 500
1M 2M 3M 4M 5M
0,225
Absorbansi
0,075
0,050 550
600
650
700
750
800
600
625
Panjang Gelombang
650
675
700
725
750
775
800
Panjang Gelombang (nm)
(a)
(b)
Gambar 2. (color online) Spektrum absorbansi untuk beberapa larutan (a) larutan gula dan (b) larutan garam
-1
-2
2.00x10
-2
1.75x10
5.50x10
-1
-2
5.00x10
-2
4.75x10
A (676 nm) A (685 nm) A (700 nm) A (730 nm) A (750 nm) A (790 nm)
-2
4.50x10
-2
4.25x10
1
2
3
Konsentrasi (M)
(a)
4
5
Absorbansi (a.u)
Absorbansi (a.u)
5.25x10
-1
1.50x10
-1
1.25x10
A (676 nm) A (685 nm) A (700 nm) A (730nm) A (750 nm) A (790 nm)
-1
1.00x10
-2
7.50x10
1
2
3
4
5
Konsentrasi (M)
(b)
Gambar 3. (color online) Grafik hubungan konsentrasi dengan absorbansi (a) larutan gula dan (b) larutan garam
Gambar 3 adalah grafik hubungan konsentrasi larutan dengan absorbansi. Pada larutan gula, perubahan secara linier dapat diamati saat panjang gelombang mengecil. Tiga grafik terbawah pada Gambar 3a menunjukkan tingkat linieritas yang jauh lebih baik dari tiga grafik bagian atas. Panjang gelombang LED yang digunakan untuk sensing konsentrasi larutan gula ini ada dalam kelompok grafik bagian bawah. Ini berarti bahwa sumber cahaya λ= 676 nm layak digunakan untuk penentuan konsentrasi larutan gula. Sebagaimana
Desain Sensor Serat ... Halaman 166
terlihat dalam Gambar 2b, linieritas yang baik dari grafik hubungan antara absorbansi dengan konsentrasi larutan garam seperti ditunjukkan oleh Gambar 3b sudah dapat diduga. Ini berarti bahwa penentuan panjang gelombang untuk sensing konsentrasi larutan garam lebih bebas dibandingkan dengan larutan gula. V/V (a.u)
7.0
V/V (a.u)
4.95
6.5 4.90
V/V (a.u)
V/V (a.u)
6.0 5.5 5.0
4.85
4.80 4.5 4.75
4.0 1
2
3
C (M)
(a)
4
5
1
2
3
4
5
C (M)
(b)
Gambar 4. Grafik hubungan konsentrasi dengan intensitas (a) larutan gula dan (b) larutan garam
Gambar 4 merupakan grafik hubungan konsentrasi larutan gula dan larutan garam dengan intensitas cahaya yang keluar dari fiber receiver hasil eksperimen. Dalam eksperimen ini, intensitas cahaya terukur sebagai tegangan listrik yang nilainya dapat dibaca dalam osiloskop. Grafik ini menggambarkan rasio hasil pengukuran tegangan dari fiber referensi dengan fiber termodulasi sebagai fungsi jarak antara cermin fiber dengan fiber optik untuk larutan gula. Saat konsentrasi semakin besar maka semakin besar pula intensitas yang diperoleh. Kecenderungan naik yang diamati dalam hasil ini sesuai dengan hasil seperti pada Gambar 4, namun cara kenaikannya tidak linear. Hasil demikian dapat diterangkan dari kenyataan seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 5. Bila dua fiber yang masingmasingnya mempunyai core dengan diameter D dan keduanya dipisahkan sejauh x maka porsi cahaya (Nα) yang keluar dari fiber transmitter masuk ke fiber receiver adalah =
=
(
)
(3)
Untuk nilai d (jarak antara ujung fiber dengan cermin) yang tetap, maka bila konsentrasi larutan berubah dan karenanya indek bias larutan berubah sudut keluaran α maksimum juga akan berubah. Hubungan antara perubahan indek bias larutan dengan sudut keluaran maximum ini diberikan oleh =
(4)
Terlihat dari persamaan (3) dan (4), porsi dari cahaya yang keluar dari fiber transmitter yang dipantulkan oleh cermin dan masuk ke fiber receiver untuk nilai jarak antara fiber dengan cermin (d) yang tetap akan sangat bergantung pada refractive index larutan.
Desain Sensor Serat ... Halaman 167
Gambar 5. Ilustrasi cahaya yang dipantulkan cermin dan diterima oleh serat optik receiver.
Gambar 6 menunjukkan bagaimana indek bias larutan berubah ketika konsentrasi dari dua larutan (gula dan garam) yang diteliti dalam penelitian ini berubah. Indek bias larutan meningkat saat konsentrasi larutan meningkat. Angka linieritas untuk kedua larutan cukup tinggi. Masing-masing secara berurutan adalah (R2=0,95006) dan (R2=0,99858). 1.40 1.46
1.38 1.44
1.36
n
n
1.42
1.34
1.40
Equation
y=a+b
Adj. R-Squa 0.95006 Value
1.38
n
Intercept 1.3594
n
Slope
0.0208
Standard Err 0.0031
Equation
1.32
1.36 2
3
C
(a)
4
5
0.9991 Value
1.30 1
y = a + b*x
Adj. R-Square
0.00121
1
2
Standard Error
n
Intercept
1.34524
n
Slope
0.00535
0.00159
4
5
3
0.0073
C
(b)
Gambar 6. (color online) Grafik hubungan konsentrasi dengan indek bias (a) larutan gula dan (b) larutan garam
Menggabungkan hasil eksperimen dari UV-VIS-NIR spectroscopy dengan refractometer ABBE di atas dapat diketahui bahwa banyak cahaya masuk ke fiber receiver sangat ditentukan oleh seberapa banyak cahaya diserap oleh larutan dan refractive index dari larutan itu sendiri. KESIMPULAN
Penelitian yang ditujukan untuk membuat fiber sensor sederhana untuk pengukuran indek bias larutan gula dan larutan garam telah dilakukan. Porsi cahaya yang masuk ke fiber receiver meningkat dengan naiknya konsentrasi larutan. Cara kenaikan ini dipercaya merupakan gabungan antara serapan cahaya oleh larutan yang adalah fungsi panjang gelombang dan perubahan porsi cahaya masuk ke fiber receiver akibat perubahan refractive index larutan. DAFTAR PUSTAKA
1 Kumar, J. A., Gowri, N.M., Raju, Nirmala, Bellubbi and Krishna. 2006. Study of Fiber Optic Sugar Sensor. Pramana Journal of Physics. Vol. 67, No.2 August 2006, pp.383387. 2 Banerjee, A., Mukherjee, S., Kumar, R., Biman, J., Tapan, K., Mrinmoy, C., Rahul, D., Sandip, B., Ashutosh, S, Vadana, S., Rakesh, M., Ram, S., Paramhans, T., Setyendra, K., Vishal, S., Anjan, K, Joseph, J., Pinaki, G. 2007. Fiber Optic Sensing of Liquid Refractive Index. Indian Institute of Technology Kanpur. India. Sensors and Actuators B 123 (2007), pp. 594–605. 3 Govindan, G., Raj, S.G., Sastikumar, D. 2009. Measurement of Refractive Index of Liquids Using Fiber Optic Displacement Sensors. Marsland Press Journal of American Science 2009:5(2), pp. 13-17. 4 Nath, P. 2010. Non-intrusive Refractometer Sensor. Pramana Journal of Physics. Vol. 74, No.4 April 2010 pp. 661-668. 5 Wulansari, N., Marzuki, A., dan Yunianto, M. 2012. Sensor Fiber Optik dari Bahan Fiber Optic Polimer untuk Pengukuran Refractive Index Larutan Gula. Indonesian Journal of Applied Physics. Vol.2, No.1 pp 29-37.
Desain Sensor Serat ... Halaman 168
6 Khumaedi, Sutikno, dan Supliyadi. 2010. Percobaan Kisi Difraksi dengan Menggunakan Keping DVD dan VCD. Jurnal Pendidikan Fisika Indonesia. pp 26-29. 7 Rediansyah, H., Purwono, BS., dan Mustopa, EJ. 2011. Spektroskopi sederhana menggunakan keeping dvd. Prosiding Seminar Kontribusi Fisika 2011 (SKF 2011). 8 Pedrotti, F.L., and Pedrotti, L.S. 1993. Introduction to Optics. Prentice-Hall, Inc.
